CC BY
18
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.923
Е. С. КИСЕЛЕВ, М. В. ТАБЕЕВ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЛУБОКОЮ СВЕРЛЕНИЯ
МАЛОМЕРНЫХ ОТВЕРСТИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЗ-ПОЛЯ
Проведены экспериментальные исследования влияния параметров УЗ-поля на осевую силу и крутящий момент при сверлении маломерных глубоких отверстий. Найдены рациональные значения угла налооювния УЗК и формы УЗ-сиги ала. Полученные результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями при обработке смазочных отверстий в коленвалах.
Одним из способов улучшения условий резания при механической обработке является наложение на инструмент или заготовку синусоидальных ультразвуковых колебаний (УЗК) [1]. Особенно эффективно применение УЗК для усиления проникающей способности см аз оч н о - охлаждаю щих жидкостей (СОЖ) в контактные зоны при глубоком сверлении маломерных отверстий [2]. Тем не менее потенциальные возможности введения ь зону сверления отверстий спиральными сверлами УЗК исследованы не в полной мере. В частности, практически отсутствуют рекомендации по выбору угла наложения УЗК относительно оси вращения сверла, хотя известно, что при предварительном сверлении отверстий, для улучшения условий резания в районе перемычки, целесообразно прикладывать к инструменту продольные колебания [3]. Однако такой приём эффективен лишь при сверлении отверстий в заготовках из пластичных хматериалов, например -цветных металлов. Если же прочность материала заготовки близка к прочности режущей части сверла, то режущие кромки последнего могут выкрашиваться [1]. Не ясно также, может ли модуляция УЗ-сигнала оказывать существенное влияние на ершовые характеристики процесса глубокого сверления, во многом зависящие от трения контактных поверхностей инструмента и стружки о заготовку [4].
Для разрешения перечисленных вопросов проведены лабораторные исследования и опытно-промышленные испытания в условиях действующего производства.
Влияние угла наложения традиционно синусоидальных и модулированных по амплитуде и частоте УЗК относительно оси вращения сверла на показатели силовой напряжённости сверления - осевую составляющую силы резания и крутящий момент исследовали на оригинальной установке (рис. 1) при обработке отверстий диаметром мм и длиной Ь = 50 мм в заготовках из сталей 40Х и 12Х18Н10Т.
Е. С. Киселев, М. В. Табеев, 2004
СОЖ
В ходе экспериментов УЗК накладывали на вращающееся сверло и СОЖ (3 %-ный водный раствор Синхо-2М, ТУ38.1011060-86, расход - 4 дм3/мин) через волновод-сопло от генератора «ТЕХМА-ЗМ» (разработка УлГТУ) в радиально-осевом направлении [4]. Для изменения угла наложения УЗК изготовили из стали 9ХС пять полутораволновых волноводов-сопел, утол между осью направляющего отверстия для сверла в которых и продольной осью составлял 25. 28, 31, 40 и 50° (см. рис. 1). После сборки с пьезокерамическими кольцевыми преобразова-
Рис. 1. Схема установки для наложения УЗК на сверло под различными углами 0 к его оси: 1-сверло; 2 - волновод-сопло;
3 - пьезопреобразователь;
4 - заготовка
теля ми ЦТС-19 все волноводы-сопла дополнительно контролировали по собственной частоте £ амплитуде Л и глубине модуляции т задающего УЗ-сигнала. Расхождения Г, А и ш в партии сборки допускали не более ± 2,5 %. Крутящий момент Мкр и осевую составляющую силы резания Рх измеряли при помощи универсального динамометра УДМ-100, усилителя 8АНЧ-21М и светолучевого осциллографа Нева МТ-1. В соответствии с результатами предварительных исследований [2, 4], при экспериментах использовали рабочую частоту генерируемого сигнала 19,6 кГц, м одул иру ю щую ч астоту ам пл итудно-
модулированного сигнала принимали равной 1 кГц, частотную модуляцию осуществляли с частотой 12,5 кГц. В ходе исследований каждое отверстие сверлили новым сверлом класса точности А с вышлифованным профилем канавок. Все сверла взяты из одной партии. До и после сверления геометрию режущей части сверла контролировали на инструментальном микроскопе УИМ-21. Глубина сверления (отверстие глухое) во всех опытах составляла 50 мм. Эксперименты проводили по одно- и многофакторному плану. По результатам последних получены регрессионные зависимости Рх и Мкр от элементов режима резания и угла направления УЗК для различных видов модуляции. При этом нижний и верхний уровни значений скорости резания Ур для заготовок из стали 40Х принимали равными соответственно 17,5 и 28,0 м/мин, для стали 12X18Ш ОТ - 6;5 и 11,0. Подача сверла 8 при много-факторных экспериментах составляла 0,03 и 0,05 мм/об. Все элементы режима глубокого сверления маломерных отверстий соответствовали нормативным [5].
Некоторые результаты однофакторных экспериментов при обработке заготовок из стали 12Х18Н10Т (Ур = 11,0 м/мин. Б0 = 0,03 мм/об) представлены на рис. 2.
Как следует из анализа полученных данных, выбранные параметры устройств наложения УЗК оказывают существенное влияние на показатели силовой напряжённости процесса глубокого сверления маломерных отверстий. Минимум значений Мкт и Рх во всех экспериментах наблюдали при угле 0 = 31°, что соответствовало для угла при вершине сверла 29=118°, перпендикулярного направлению УЗК к его режущей кромке. По-видимому, это объясняется тем, что при таком значении 0 затрата на упруго-пластическую деформацию при формообразовании цилиндрической поверхности глубокого отверстия режущей кромкой сверла шшимаяьны. Любопытно, что любое отклонение от экстремума приводит к увеличению силовой напряжённости, причём в меньшей степени с увеличением угла 0: при изменениях угла 0 от 310 до 25е осевая составляющая силы резания Рх и крутящий момент Мкр увеличиваются в среднем на 12 %, при изменениях 0 от 31° до 50° - на 10 %. Учитывая, что на практике малые значения © сложно реализовать по конструктивным соображениям, в дальнейших экспериментах и при опытно-промышленных испытаниях использовали устройства с углом 0 = 50 - 60°.
25
40 град.50
А
Рх
1000 и
950 900 850 800
Л
25
28
31
40
град.
50
0
Рис. 2. Зависимость крутящего момента Мкт (а) и осевой составляющей силы Рх (б) от угла наложения колебаний относительно оси сверла 0 и формы УЗ-сигнала: ЕЛ - обработка без УЗК; □ - с УЗК синусоидальной фо змы; БЗ - УЗК с амплитудной модуляцией; ЕЭ - УЗК с амплитудно-частотной модуляцией
Как и ожидалось, введение в зону обработки энергии УЗ-поля изменяет условия контакта режущего инструмента со стружкой и заготовкой при обработке глубоких отверстий. Эти изменения (см. рис. 2) ещё более значительны при модуляции УЗ-поля по частоте и амплитуде. Можно предположить, что к таким изменениям в наибольшей степени чувствителен процесс движения стружки по канавкам сверла из-за замедления в УЗ-поле адгезионных и сорбционных процессов. Вследствие этого стружка не уплотняется и более свободно удаляется из зоны резания. Косвенно об этом свидетельствует уменьшение осевой силы Рх и особенно крутящего момента МК1). При этом существенной разницы между различными видами модуляции не наблюдается.
Опытно-промышленные испытания провели в условиях действующего производства ОАО «Волжские моторы» (г. Ульяновск) на операции сверления смазочных отверстий диаметром 7 мм и глубиной 90 мм в коленчатом вале 7305-4116 из высокопрочного чугуна ВЧ-50 (рис. 3).
'•Рис. 3, Коленчатый вап 7305-4116: 1 номера смазочного отверстия
- 4 -
Испытания нового устройства для наложения ам-плитудно-частотномодулированных УЗК в радиально-осевом направлении под углом © = 60° на сверло и СОЖ (учитывая, что максимум амплитуды колебаний УЗ-волновода находится в сечениях, кратных полуволне УЗК, в серийном варианте устройства для промышленного применения использовали полуволновой волновод) подтвердили результаты лабораторных исследований (рис. 4). Установлено, что сверление отверстий по предлагаемой технологии позволяет в среднем увеличить период стойкости инструмента на 24 % при существенном уменьшении поля его рассеивания. Одновременно удалось сократить и число поломок сверл: за время испытаний (около двух недель при работе в одну смену) было зафиксировано восемь поломок сверл (соответственно по две при сверлении первого и второго отверстий, одна - на третьем отверстии и три на четвёртом отверстии) по существующей технологии и одна поломка (на четвёртом отверстии) - по предлагаемой технологии.
Таким образом, выполненные исследования позволили найти рациональное значение угла наложения УЗК на вращающееся спиральное сверло и СОЖ, подаваемую в радиадыю-осевом направлении через волновод-сопло к зоне резания, и рекомендовать использовать модулированное УЗ-поле взамен традиционного синусоидального.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кумабэ, Д. Вибрационное резание / Д. Кумабэ; пер. с японского С. Л. Масленникова; Под ред. И. И. Портнова, В. И. Белова. - М.: Машиностроение, 1985.-424 с.
2. Киселев, Е. С. Использование ультразвука для усиления проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий /
£28
£20 216
£12
о ^
о
^ л о. 4
" О
8
1
1
1
Рис. 4. Результаты опытно-промышленных испытаний: Ей , П - обработка отверстий по технологии соответственно УлГТУ и ОАО «Волжские моторы»; 1- 4 - номер просверленного отверстия
Е. С. Киселев, В. И. Ковальногов, М. В. Табеев // Вестник УлГТУ. - 2004. - № 2. - С. 33 - 35.
3. Марков, А. И. Ультразвуковая обработка материалов / А. И. Марков. - М.: Машиностроение, 1980. -237 с.
4. Киселев, Е. С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля / Е. С. Киселев. - Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 186 с.
5. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой,
Р. М. Мещерякова, А. Г. Суслова. Т. 2. - М.: Машиностроение, 2001. - 944 с.
Киселев Евгений Степанович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» УлГТУ. Автор книг и статей в области ресурсосберегающих технологий механической обработки заготовок из различных материалов.
Табеев Михаил Викторович, инженер кафедры «Технология машиностроения» УлГТУ. Работает над повышением эффективности технологии глубокого сверления маломерных отверстий.
